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    天津市海河溫室氣體排放特征與影響因素研究

    2021-06-22 06:51:48胡曉康昝逢宇常素云王云倉(cāng)王松慶王洪偉張雷鐘繼承

    胡曉康 ,昝逢宇,常素云,王云倉(cāng),王松慶,王洪偉,張雷,鐘繼承*

    1.安徽師范大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院,安徽 蕪湖 241003;2.中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所/湖泊與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210008;3.天津市水利科學(xué)研究院,天津 300061

    受人類活動(dòng)影響,大氣中溫室氣體濃度不斷增加,加劇了全球氣候變化。二氧化碳(CO2),甲烷(CH4)和氧化亞氮(N2O)是大氣中最重要的3種溫室氣體。2018年,大氣中CO2,CH4和N2O的全球平均濃度分別是工業(yè)革命前(1750年)的147%、259%和123%(World Meteorological Organization,2019)。通常認(rèn)為化石燃料燃燒是大氣中溫室氣體增加的主要來(lái)源,但研究發(fā)現(xiàn)河流、湖泊、水庫(kù)等自然水體均為溫室氣體的主要排放源(吳瑤潔等,2016)。其中,河流作為連接陸地與海洋,進(jìn)行物質(zhì)交換、能量傳輸?shù)闹匾~帶,匯集了人類活動(dòng)產(chǎn)生的碳、氮等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),為溫室氣體的產(chǎn)生提供了反應(yīng)基質(zhì),通過(guò)硝化、反硝化、微生物降解和乙酸發(fā)酵作用不斷增加溫室氣體排放(Yang et al.,2015)。據(jù)統(tǒng)計(jì),全球河流CO2排放量為840—6600 Tg·a?1,CH4排放量為 1.5—26.8 Tg·a?1,N2O 排放量為 46.5—55.5 Gg·a?1(Drake et al.,2017),因此,在全球變暖的大背景下,準(zhǔn)確評(píng)估河流溫室氣體排放成為環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域亟待解決的新問(wèn)題。

    近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn),流域人類活動(dòng)(包括污水排放、農(nóng)業(yè)活動(dòng)、城市化、筑壩等)為河流溫室氣體排放的重要驅(qū)動(dòng)因素。Yang et al.(2011)對(duì)巢湖3條入湖河流研究發(fā)現(xiàn),南淝河N2O濃度和通量顯著高于豐樂(lè)河和杭埠河,這可能是因?yàn)槟箱呛恿鹘?jīng)合肥市,而合肥市河流污染機(jī)制復(fù)雜,河流化學(xué)成分常年受工廠和生活污水的影響。常思琦等(2015)研究發(fā)現(xiàn)城區(qū)河流N2O和 CH4的擴(kuò)散通量年均值均比郊區(qū)河流大1—2個(gè)量級(jí)。Hu et al.(2017)對(duì)天津河網(wǎng)排污河流溫室氣體排放的研究發(fā)現(xiàn),排污河流的溫室氣體擴(kuò)散通量明顯高于天然河流。劉婷婷等(2019)對(duì)城市化區(qū)溫室氣體排放的研究指出,流域水體溫室氣體濃度空間格局與快速城市化帶來(lái)的污染負(fù)荷空間梯度吻合,城市河段CO2和CH4濃度約為非城市河段的2倍,同時(shí)支流水體自上游農(nóng)業(yè)區(qū)向下游城市區(qū)呈顯著增加。

    盡管國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)就河流水-氣界面溫室氣體排放開展了大量研究,但對(duì)受人為活動(dòng)影響城市河流的研究仍然較少,還需更多數(shù)據(jù)與結(jié)果的支持。因此,本研究選擇天津市海河干流作為研究對(duì)象,于2019年12月(冬季)和2020年7月(夏季)利用頂空平衡-氣相色譜法以及邊界雙層模型的方法,對(duì)其水體中溶存溫室氣體的濃度、飽和度及擴(kuò)散通量進(jìn)行監(jiān)測(cè),比較分析不同人為活動(dòng)影響下海河溫室氣體濃度和通量的時(shí)空特征,并通過(guò)與各環(huán)境因子進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,探討其主要驅(qū)動(dòng)因素及人為活動(dòng)的影響作用。

    1 材料與方法

    1.1 調(diào)查采樣方案

    海河流域是中國(guó)北方最大的水系,總流域面積3.18×105km2,年平均徑流量 2.64×1010m3,流經(jīng)北京、天津、河北和山東省。海河橫貫天津市區(qū)流入渤海,由北運(yùn)河、子牙河、南運(yùn)河與新開河等河流匯集而成,西端起始于紅橋區(qū)三岔河口,東流至海河防潮閘,干流全長(zhǎng)73 km。作為一條城市河流,海河在天津市行洪排澇、蓄水供水、航運(yùn)、旅游等方面發(fā)揮重要功能,設(shè)計(jì)行洪流量為 800 m3·s?1,冬季平均水深為6.25 m,夏季平均水深5.3 m,河道兩岸堤防前較淺(3—4 m深)。為了防止海水從渤?;亓?,1985年修建了二道閘水壩,將海河干流分成上、下游兩段。

    本研究在海河干流自上往下設(shè)置30個(gè)采樣點(diǎn),其中上、下游采樣點(diǎn)分別為13與17個(gè)(圖1),上游段主要為市區(qū)旅游觀光,人口稠密,下游段工農(nóng)業(yè),港口分布則較為集中,且由于受海水潮汐的影響,含鹽量較高,導(dǎo)致上下游水體環(huán)境有所不同。根據(jù)海河干流兩岸的土地利用類型劃分為 2個(gè)梯段,分別是上游段(H1—H13),下游段(H14—H30)。于2019年12月及2020年7月分別采集海河干流表層0.5 m處水樣,每個(gè)采樣點(diǎn)重復(fù)采集3次,作為平行樣。水體溶存溫室氣體濃度采用頂空-氣相色譜技術(shù)進(jìn)行測(cè)定,利用虹吸法采集水樣于20 mL血清瓶中,加入0.2 mL飽和氯化汞溶液以抑制微生物活性,使水樣溢出瓶口,立即塞緊瓶塞并密封不留氣泡,低溫避光保存帶回實(shí)驗(yàn)室,同時(shí)采集20 mL河流水面上空2 m處大氣樣品,用于測(cè)定采樣點(diǎn)大氣中CH4、CO2、N2O濃度。此外用500 mL聚乙烯瓶采集0.5 m以下表層水樣,冷藏運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室用于水質(zhì)常規(guī)指標(biāo)的測(cè)定。現(xiàn)場(chǎng)用多參數(shù)水質(zhì)儀(YSI,美國(guó))測(cè)定表層水體溫度(WT)、Eh、溶解氧(DO)、pH、鹽度(S)、電導(dǎo)率(σ)等。同時(shí)在每一個(gè)采樣點(diǎn)用手持氣象站(Kestrel5500,美國(guó))測(cè)定風(fēng)速及氣溫。

    圖1 海河采樣點(diǎn)位分布圖Fig.1 Sampling points in Haihe River

    1.2 樣品分析

    水樣中溫室氣體濃度采用靜態(tài)頂空法測(cè)定,用10 mL高純氮?dú)庵脫Q出上述血清瓶中等體積的水,室溫下劇烈振蕩1 min,靜置隔夜,使待測(cè)氣體在液相和氣相中達(dá)到平衡。測(cè)定時(shí)抽取3 mL頂空氣體利用氣相色譜儀(Agilent GC 7890B)分析,同時(shí)抽取血清瓶中空氣樣品檢測(cè)大氣中溫室氣體濃度。其中N2O采用電子捕獲檢測(cè)器(μECD),工作溫度為300 ℃,柱溫為60 ℃,載氣為氬甲烷,流量為 5 mL·min?1。CH4、CO2采用配備鎳轉(zhuǎn)化爐的火焰離子化檢測(cè)器(FID),工作溫度為300 ℃,柱溫為60 ℃,載氣為高純氮?dú)?,流量? mL·min?1,燃?xì)鉃闅錃夂涂諝猓髁糠謩e為45 mL·min?1與400 mL·min?1。在樣品分析過(guò)程中用標(biāo)準(zhǔn)氣體進(jìn)行分析過(guò)程的質(zhì)量控制。

    1.3 海河水體溫室氣體濃度及水-氣界面通量計(jì)算

    1.3.1 平衡瓶中頂空氣體濃度計(jì)算

    將頂空氣體視為理想氣體,頂空氣體組分濃度由道爾頓分壓定律計(jì)算:

    式中,Cg為體系內(nèi)某氣體的組分的濃度,(μmol·L?1);Pg為體系內(nèi)某氣體組分的分壓值,可通過(guò)氣相色譜測(cè)得結(jié)果和瓶中總氣壓值(標(biāo)準(zhǔn)大氣壓)相乘獲得;R為理想氣體常數(shù),8.314×103(Pa·L·mol?1·K?1);T表示體系內(nèi)熱力學(xué)溫度,(K)。

    1.3.2 平衡瓶中水樣濃度計(jì)算

    假設(shè)水樣瓶中頂空氣體與水體達(dá)到溶解平衡,瓶?jī)?nèi)水體溶存氣體的濃度根據(jù)Wiesenburg et al.(1979)等和Weiss et al.(1980)等提供的溶解度公式計(jì)算,則水體CO2、N2O溶存氣體濃度計(jì)算公式為:

    水體CH4溶存氣體濃度計(jì)算公式為:

    式 (2)—(5) 中Cw為血清瓶?jī)?nèi)水體溶存氣體濃度,(μmol·L?1);fg為該氣體組分的物質(zhì)的摩爾分?jǐn)?shù),氣相色譜測(cè)定得到(×10?6);T表示體系內(nèi)熱力學(xué)溫度,K;S為水體鹽度,‰;α為布式系數(shù),CO2mol·L?1·atm?1,N2O mol·L?1·atm?1,CH4nmol·L?1·atm?1;A1、A2、A3、A4、B1、B2、B3為常數(shù),其值詳見(jiàn)文獻(xiàn)(Wiesenburg et al.,1979;Weiss et al.,1980)。

    1.3.3 原位水樣中實(shí)際氣體濃度和飽和度計(jì)算

    海河原位水樣中溫室氣體濃度包括平衡瓶中水樣溶存的及頂空內(nèi)的氣體濃度,換算為海河原位水樣濃度c為(μmol·L?1):

    式 (6)—(8) 中,Vg和Vw分別為頂空和水體體積,(L);R為溫室氣體的飽和度,%;cs為水-氣平衡狀態(tài)時(shí)水中溫室氣體的平衡濃度,μmol·L?1;Ca為采樣點(diǎn)大氣中CO2、CH4、N2O的摩爾分?jǐn)?shù),氣相色譜測(cè)定得到(×10?6)。

    1.3.4 水-氣界面溫室氣體通量計(jì)算

    式 (9)—(12) 中,F(xiàn)為水-氣界面溫室氣體的擴(kuò)散通量,(μmol·m?2·h?1);K為溫室氣體遷移系數(shù),(cm·h?1);v為風(fēng)速,現(xiàn)場(chǎng)用手持風(fēng)速儀獲得,(m·s?1);Sc是施密特常數(shù);c為原位水樣溫室氣體實(shí)際濃度,(μmol·L?1);cs為水氣平衡狀態(tài)時(shí)水中溫室氣體的平衡濃度,(μmol·L?1);t為實(shí)測(cè)水溫,(℃);A、B、C、D、E為常數(shù),其值詳見(jiàn)文獻(xiàn)(Wanninkhof,2014)。

    1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

    原始數(shù)據(jù)在Excel 2013中進(jìn)行處理與計(jì)算,采用SPSS 26.0和Origin 2019b進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和繪圖,差異和相關(guān)性分析的顯著性水平均為P<0.05。采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)比較不同河段溫室氣體溶存濃度、擴(kuò)散通量與各環(huán)境因子之間的差異性。采用 Spearman相關(guān)系數(shù)進(jìn)行溫室氣體排放與環(huán)境變量之間的相關(guān)分析。通過(guò)逐步回歸分析(ANOVA Stepwise analysis)確定影響溫室氣體排放的主要環(huán)境因子。

    2 結(jié)果與分析

    2.1 水體理化性質(zhì)

    海河表層水溫(WT),溶解氧(DO)、鹽度(S)、CODMn具有較大的變異性(表 1)。水溫表現(xiàn)出明顯的時(shí)間變化特征,其平均值從冬季的 3.84 ℃到夏季的28.54 ℃。DO普遍處于過(guò)飽和狀態(tài),冬季各水體DO含量整體高于夏季,水中的DO含量與其溶解度有關(guān),而DO溶解度受到溫度等環(huán)境因素的影響,隨著溫度的升高而降低。由于受防潮閘和二道閘影響,鹽度具有較大的空間變異性(譚永潔,2014),下游水體鹽度普遍高于上游。CODMn作為水體受有機(jī)污染物和還原性無(wú)機(jī)污染程度的綜合指標(biāo),下游CODMn顯著高于上游(P<0.05)。比較了冬季和夏季,上游及下游的水樣平均濃度,并觀察到除夏季 SRP以外,均具有顯著的空間差異(P<0.05),而濃度表現(xiàn)為冬季顯著高于夏季(P<0.05)。水體磷負(fù)荷下游顯著高于上游(P<0.05)。Chl-a與DOC時(shí)空差異顯著(P<0.05),其中上游小于下游,冬季高于夏季。夏季充沛的雨水和開閘換水的稀釋作用,夏季水體中氮、磷、Chl-a及DOC含量相對(duì)較低。

    表1 海河表層水樣理化性質(zhì)Table 1 Physicochemical properties of surface water in Haihe River

    2.2 CH4濃度和擴(kuò)散通量

    冬季海河表層水 CH4濃度在 0.04—2.43 μmol·L?1之間(圖 2),平均濃度為 (0.32±0.42)μmol·L?1,飽和度在 40.53%—31799.48%之間,擴(kuò)散通量為 0.47—53.97 μmol·m?2·h?1。冬季海河干流下游CH4通量高于上游,其值分別為 (8.49±12.23)μmol·m?2·h?1和 (1.68±0.82) μmol·m?2·h?1。夏季海河表層水 CH4濃度在 0.11—2.90 μmol·L?1之間,飽和度在 4251.67%—107956.25%之間,擴(kuò)散通量為2.76—145.36 μmol·m?2·h?1,其中上游平均大小為(12.50±6.08) μmol·m?2·h?1,下游平均大小為(39.84±34.98) μmol·m?2·h?1,下游排放通量顯著高于上游(P<0.05)。夏季水體 CH4濃度、飽和度及通量均顯著高于冬季(P<0.05)。

    圖2 海河表層水樣CH4濃度、飽和度及水-氣界面擴(kuò)散通量Fig.2 CH4 concentration and saturation in the surface water and diffusion fluxes at the water-air interface of Haihe River

    2.3 CO2濃度和擴(kuò)散通量

    冬季海河表層水 CO2濃度在 19.26—230.66 μmol·L?1之間(圖 3),平均濃度為 (102.19±64.07)μmol·L?1,飽和度在 81.36%—974.46%之間,擴(kuò)散通量為?98.40—1512.67 μmol·m?2·h?1。冬季 CO2通量與CO2濃度,飽和度空間分布規(guī)律一致,沿水流方向整體上呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。夏季海河表層水CO2濃度在 24.97—218.84 μmol·L?1之間,飽和度在210.04%—1840.73%之間,擴(kuò)散通量為 251.89—14482.31 μmol·m?2·h?1,夏季 CO2濃度、飽和度和通量的空間分布差異性顯著,均表現(xiàn)為上游顯著大于下游(P<0.05)。海河 CO2濃度和通量均存在顯著的季節(jié)性差異(P<0.05),具體表現(xiàn)為:海河CO2濃度夏季[(75.00±57.87) μmol·L?1]顯著小于冬季[(102.19±64.07) μmol·L?1],但 CO2通量夏季[(3281.88±3425.55) μmol·m?2·h?1]顯著大于冬季通量[(865.85±394.74) μmol·m?2·h?1]。

    圖3 海河表層水樣CO2濃度、飽和度及水-氣界面擴(kuò)散通量Fig.3 CO2 concentration and saturation in the surface water and diffusion fluxes at the water-air interface of Haihe River

    2.4 N2O濃度和擴(kuò)散通量

    冬季海河表層水 N2O濃度在 21.34—149.50 nmol·L?1之間(圖 4),平均濃度為 (965.87±844.63)nmol·L?1,飽和度在 260.53%—1544.69%之間,水體N2O始終處于過(guò)飽和狀態(tài),是大氣N2O的排放源。擴(kuò)散通量為 81.03—2860.76 nmol·m?2·h?1,N2O平均擴(kuò)散通量為 (965.87±844.63) nmol·m?2·h?1,冬季 N2O濃度、飽和度和通量的空間分布差異性顯著,均表現(xiàn)為上游顯著低于下游(P<0.05)。夏季海河表層水 N2O 濃度在 11.35—32.87 nmol·L?1之間,飽和度在 162.24%—469.88%之間,排放通量為65.74—1370.88 nmol·m?2·h?1,夏季 N2O 濃度與飽和度空間分布規(guī)律相同,下游顯著高于上游(P<0.05)。夏季海河水體N2O濃度、飽和度顯著低于冬季(P<0.05)。

    圖4 海河表層水樣N2O濃度、飽和度及水-氣界面擴(kuò)散通量Fig.4 N2O concentration and saturation in the surface water and diffusion fluxes at the water-air interface of Haihe River

    3 討論

    3.1 海河溫室氣體濃度和通量的空間特征

    河流生態(tài)系統(tǒng)作為碳、氮遷移及轉(zhuǎn)化的重要場(chǎng)所,已經(jīng)成為溫室氣體釋放的活躍區(qū)域(Striegl et al.,2012;Lapierre et al.,2013)。本研究中,海河表層水樣碳、氮、磷基本上呈現(xiàn)出上游含量較低且波動(dòng)較小,下游含量顯著增大的空間分布特征(表1)。這主要由于上下游兩岸土地利用類型的不同導(dǎo)致的,上游主要為主城區(qū)兼具旅游觀光的功能,下游兩岸是農(nóng)業(yè)和工業(yè)的重要聚集區(qū),像農(nóng)田廢水,工業(yè)廢水,禽畜養(yǎng)殖廢水都是導(dǎo)致下游氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽較高的主要原因。一方面,水體理化性質(zhì)的不斷惡化以及外源污染物的持續(xù)輸入,改變了水體中的生化過(guò)程,進(jìn)而影響河流溫室氣體的空間分布格局。另一方面,生活污水和工業(yè)廢水的排放也會(huì)攜帶大量的溫室氣體進(jìn)入水體中。

    河流水體CH4主要是沉積物中產(chǎn)甲烷菌以乙酸鹽或者 CO2/H2為底物,通過(guò)一系列厭氧發(fā)酵過(guò)程而產(chǎn)生的(Stanley et al.,2016)。本研究中,冬季上下游CH4濃度沒(méi)有顯著性差異,海河水體是大氣CH4的“源”。冬季CH4相關(guān)性分析表明(表2),只有 DO與 CH4濃度呈現(xiàn)極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01),這是因?yàn)镃H4主要在厭氧環(huán)境中生成,較高的DO水平不利于CH4的生成與賦存,這個(gè)結(jié)果也與趙小杰等(2008),楊平等(2015)研究結(jié)果是一致的。水體中CH4生成涉及的微生物代謝活動(dòng)主要受控于溫度,因此夏季通量顯著高于冬季。另外夏季CH4濃度與通量呈現(xiàn)出下游顯著大于上游的空間規(guī)律(P<0.05),這可能是下游工農(nóng)業(yè)廢水排入水體,加劇了水體富營(yíng)養(yǎng)化,使溶解氧含量降低,產(chǎn)甲烷菌活性增強(qiáng),甲烷氧化能力下降,進(jìn)而導(dǎo)致下游大于上游(胡蓓蓓等,2013)。

    表2 冬季海河溫室氣體濃度、通量與環(huán)境因子之間的Spearman相關(guān)性Table 2 Spearman correlation between concentration and diffusion flux of greenhouse gases and environmental factors of Haihe River in winter

    河流水體CO2通常認(rèn)為有兩個(gè)來(lái)源:即外源和內(nèi)源。外源主要指流域陸源有機(jī)碳的分解和植物根系呼吸產(chǎn)生的土壤CO2通過(guò)地表徑流進(jìn)入河流以及少量碳酸鹽沉降等(Sawakuchi et al.,2016)。內(nèi)源CO2主要指水體和沉積物中有機(jī)碳的微生物分解,同時(shí)包括水體內(nèi)部水生生物的呼吸作用產(chǎn)生CO2等(Abril et al.,2013)。兩個(gè)過(guò)程共同決定了河流水體CO2的時(shí)空變異特征。本研究中冬季、夏季CO2濃度和通量在二道閘后急劇減小,通過(guò)與不同環(huán)境因子的相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)(表2、表4),CO2濃度和通量與氮、磷均成顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05),這可能是因?yàn)樗w中的高濃度氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽作為浮游植物的營(yíng)養(yǎng)成分,有利于浮游植物的生長(zhǎng),從而促進(jìn)了水體中的光合作用(表1),從而消耗了水體中CO2、減小了其釋放通量。同時(shí)下游水體中豐富的氮促進(jìn)反硝化作用,活躍的反硝化菌則以碳為能量來(lái)源,對(duì)好氧微生物起到競(jìng)爭(zhēng)抑制的作用,以此抑制CO2的產(chǎn)生(胡曉婷,2017)。

    表3 冬季海河溫室氣體濃度、通量與環(huán)境因子之間的回歸方程Table 3 Regression equation between concentration and diffusion flux of greenhouse gases and environmental factors of Haihe River in winter

    表4 夏季海河溫室氣體濃度、通量與環(huán)境因子之間的Spearman相關(guān)性Table 4 Spearman correlation between concentration and diffusion flux of greenhouse gases and environmental factors of Haihe River in summer

    河流水體 N2O的產(chǎn)生過(guò)程主要?dú)w結(jié)于微生物主導(dǎo)的氮循環(huán)過(guò)程,主要包括硝化,反硝化以及硝酸鹽異化還原成氨 3個(gè)過(guò)程。本研究中,冬、春N2O濃度和通量均呈現(xiàn)下游大于上游的空間特征,相關(guān)性以及逐步回歸分析表明(表2、表5),上下游水環(huán)境因子的差異是導(dǎo)致 N2O空間差異的主要原因。在水體硝化過(guò)程中,下游水體中較高的NO3?-N 會(huì)引起硝化產(chǎn)物濃度過(guò)高,導(dǎo)致硝化過(guò)程中間產(chǎn)物羥胺(NH2OH)繼續(xù)轉(zhuǎn)化受限而氧化為N2O,造成N2O增加。此外N2O作為異養(yǎng)反硝化過(guò)程的中間產(chǎn)物,因?yàn)楦邼舛鹊腘O3?-N不僅能提高反硝化作用速率,還能抑制N2O還原酶的活性,限制反硝化過(guò)程中N2O向N2的轉(zhuǎn)化(Bakken et al.,2012;Schreiber et al.,2012)。硝酸鹽異化還原成氨指的是以NO3?-N電子受體,中間產(chǎn)物NO2?-N、還原為N2O,最終產(chǎn)物為的過(guò)程,因此過(guò)高的氮濃度也會(huì)導(dǎo)致該過(guò)程N(yùn)2O的積累(Scott et al.,2018)。

    表5 夏季海河溫室氣體濃度、通量與環(huán)境因子之間的回歸方程Table 5 Regression equation between concentration and diffusion flux of greenhouse gases and environmental factors of Haihe River in summer

    3.2 海河溫室氣體濃度和通量的季節(jié)特征

    海河水體CH4、CO2、N2O濃度和通量都具有顯著的季節(jié)特征。CH4濃度和通量呈現(xiàn)夏高冬低的規(guī)律(圖2)。溫度升高對(duì)淡水CH4的排放的促進(jìn)作用高于系統(tǒng)初級(jí)生產(chǎn)力的增加,且溫度升高能夠促使更多初級(jí)生產(chǎn)固定的碳以CH4形式排放。CO2濃度呈冬高夏低的規(guī)律,而CO2通量呈現(xiàn)冬低夏高的季節(jié)規(guī)律。海河CO2排放的季節(jié)特征與大多數(shù)河流是不同的。一方面夏季持續(xù)的降雨過(guò)程可能會(huì)稀釋CO2濃度,另一方面北方冬季氣溫普遍較低,藻類和水生植物死亡并分解產(chǎn)生CO2,導(dǎo)致光合作用降低。因此,CO2濃度冬季高于夏季。夏季溫度較高,導(dǎo)致溫室氣體轉(zhuǎn)移系數(shù)較大,因此夏季CO2通量要高于冬季,然而N2O濃度和通量均呈現(xiàn)出冬季高于夏季的規(guī)律。夏季藻類大量繁殖吸收氮磷等營(yíng)養(yǎng)元素,加之夏季充沛的雨水和開閘換水的稀釋作用(李安定等,2018),夏季水體中氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽含量相對(duì)冬季較低,而由逐步回歸分析表明(表 3、5),NO3?-N是影響N2O濃度和通量的主要影響因子。另外夏季溫度較高,N2O還原酶活性很強(qiáng),有利于將N2O轉(zhuǎn)化成其他形式的含氮化合物,從而使N2O濃度降低,而在低溫時(shí),氧化還原酶活性會(huì)受到抑制,導(dǎo)致N2O積累(Silvennoinen et al.,2008)。

    3.3 海河溫室氣體排放的關(guān)鍵影響因子分析

    海河水體溫室氣體排放呈現(xiàn)出明顯的時(shí)空變化趨勢(shì),與其復(fù)雜的水文環(huán)境和生源要素密不可分。由于水體富營(yíng)養(yǎng)化,可能會(huì)增加生物質(zhì)產(chǎn)量,從而增加CH4排放(Juutinen et al.,2003)。營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的過(guò)??梢源碳こ跫?jí)生產(chǎn),同時(shí)可能對(duì)微生物過(guò)程產(chǎn)生重大影響(Liikanen et al.,2003)。逐步回歸分析表明(表3),冬季海河水體CH4濃度和通量的關(guān)鍵影響因子是DOC,DOC為水體中CH4產(chǎn)生的直接碳源,其含量高低直接關(guān)系到相關(guān)微生物活性。一方面較高的DOC含量促進(jìn)原位CH4產(chǎn)生,同時(shí)高有機(jī)質(zhì)水體中 O2消耗快,減少 CH4氧化。夏季海河水柱CH4濃度及通量與氮濃度以及鹽度表現(xiàn)出顯著的正相關(guān)關(guān)系,逐步回歸分析的結(jié)果進(jìn)一步表明NO3?-N是主要影響因子(表5)。一般情況下,NO3?-N與 CH4濃度和通量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,因?yàn)樵趨捬鯒l件下甲烷氧化菌可利用NO3?-N作為電子供體,發(fā)生反硝化型甲烷厭氧氧化。但是本研究卻呈現(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系,表明甲烷厭氧氧化在水體中并不強(qiáng)烈,這可能是因?yàn)樗w富含碳源,NO3?-N還原菌與產(chǎn)甲烷菌之間的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系未能體現(xiàn)出來(lái),反而是水體NO3?-N刺激了好氧微生物的活性,水體中溶解氧被大量消耗,為CH4產(chǎn)生創(chuàng)造了有利條件(吳銘,2016)。

    本研究中冬季 CO2濃度和通量與水溫、DO、pH、鹽度、氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽、Chl-a、CODMn、DOC呈顯著負(fù)相關(guān),夏季CO2濃度和通量與鹽度、氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽、CODMn、DOC呈顯著負(fù)相關(guān),這個(gè)結(jié)果與其他河流的結(jié)果不一致,表明海河CO2溶存及排放具有其獨(dú)特性及復(fù)雜性。河流中CO2陸源輸入、內(nèi)源呼吸以及水體光合作用共同決定了水體CO2濃度,而河流水體CO2的主要去向包括水體浮游植物與水生植物的光合作用固定和水-氣界面的排放(王曉鋒等,2017),因此河流中 CO2的溶存及排放受多種因素影響,本研究中 CODMn是海河CO2濃度和通量的主要影響因子,其內(nèi)在機(jī)制需要進(jìn)一步的研究來(lái)揭示。本研究結(jié)果表明城市化程度較高的海河上游CO2濃度和通量高于城市化程度較低的下游,這個(gè)結(jié)果與重慶市河網(wǎng)及巢湖流域河網(wǎng)的研究結(jié)果相一致(Wang et al.,2017)。

    海河作為橫跨天津工業(yè)區(qū)及生活區(qū)的主干河流,溶解于河流水體中高濃度營(yíng)養(yǎng)鹽也影響著水體內(nèi)N2O的循環(huán)過(guò)程(Tian et al.,2018)。逐步回歸分析結(jié)果表明(表3、5),海河水體中較高的NO3?-N濃度能夠顯著提高N2O濃度和通量。以往的研究認(rèn)為:(1)以 NO3?-N 和 NO2?-N 為主體的硝化產(chǎn)物會(huì)顯著抑制羥胺的轉(zhuǎn)化,使得作為氧化產(chǎn)物的N2O濃度提高(袁淑方等,2012);(2)厭氧條件下,高濃度的NO3?-N會(huì)增強(qiáng)其電子受體功能,使得反硝化速率增大,提高N2O的代謝產(chǎn)量(Beaulieu et al.,2011);(3)NO3?-N作為比N2O更強(qiáng)的電子受體,其濃度的提高加劇了對(duì)N2O還原酶的抑制,使得N2O還原為N2的速率被抑制,進(jìn)而導(dǎo)致N2O的累積并釋放(Usui et al.,2001)。因此,水體中NO3?-N濃度增加可同時(shí)促進(jìn)硝化與反硝化過(guò)程中N2O的生成,對(duì)N2O產(chǎn)生與釋放具有促進(jìn)作用,是海河水柱N2O生成與排放的主要控制因子。

    3.4 與其他河流水-氣界面溫室氣體擴(kuò)散通量的比較

    城市河流是溫室氣體排放的重要來(lái)源之一,本研究顯示CH4,CO2夏季擴(kuò)散通量顯著高于冬季,N2O夏季擴(kuò)散通量顯著低于冬季。與南京團(tuán)結(jié)河、湖北香溪河(王亮等,2012;周興,2012)相比,溫室氣體擴(kuò)散通量處于較高水平,這可能是海河較高的營(yíng)養(yǎng)水平所致。蘇州河、定蒲河等城市河流與海河溫室氣體擴(kuò)散通量量級(jí)相當(dāng)(常思琦等,2015),與它們具有相似的土地利用類型和營(yíng)養(yǎng)鹽負(fù)荷密不可分。長(zhǎng)江中下游溫室氣體擴(kuò)散通量低于海河,主要由于長(zhǎng)江中下游受人為影響較低(表6)。因此,人為活動(dòng)對(duì)河流溫室氣體排放具有促進(jìn)作用,人為活動(dòng)對(duì)海河干流溫室氣體排放影響較大,海河二道閘存在使得海河干流上下游水質(zhì)及溫室氣體排放呈現(xiàn)出顯著的空間差異。

    表6 國(guó)內(nèi)部分河流溫室氣體擴(kuò)散通量對(duì)比Table 6 Comparison of greenhouse gases diffusion fluxes from some rivers in China μmol·m?2·h?1

    4 結(jié)論

    (1)海河下游受到兩岸用地類型的影響,氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽、Chl-a、DOC和CODMn含量均呈現(xiàn)下游大于上游的空間特征。除鹽度外,均存在顯著性季節(jié)差異(P<0.05),其中 DO、氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽、Chl-a、DOC含量呈現(xiàn)出冬季顯著高于夏季。而pH、CODMn呈現(xiàn)出冬季顯著低于夏季。

    (2)海河CO2濃度和通量呈現(xiàn)出上游大于下游的空間特征,而CH4、N2O濃度和通量呈現(xiàn)出上游小于下游的空間特征。在季節(jié)特征上,CO2通量、CH4濃度和通量呈現(xiàn)夏季大于冬季的分布特征,而CO2濃度、N2O濃度和通量呈現(xiàn)冬季大于夏季的分布特征。海河二道閘的存在及人為調(diào)控對(duì)海河上下游水質(zhì)及溫室氣體排放影響較大。

    (3)海河水柱中DO、NO3?-N、DOC和CODMn是控制海河中溫室氣體濃度和通量的關(guān)鍵影響因子。海河水體中溫室氣體的產(chǎn)生不僅與水體中微生物功能有關(guān),還與富含氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的工農(nóng)業(yè)廢水和生活污水的排放有關(guān)。

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